Наносенсоры: принципы, применение и перспективы.

Введение

Наносенсоры – это устройства на наноуровне, измеряющие физические величины и преобразующие их в сигналы, которые можно обнаружить и проанализировать. Существует несколько предлагаемых способов создания наносенсоров, включая литографию сверху вниз, сборку снизу вверх и молекулярную самосборку. Различные типы наносенсоров присутствуют на рынке и находятся в разработке для широкого спектра применений, особенно в оборонной, экологической и здравоохранительной отраслях. Все эти сенсоры имеют схожий базовый принцип работы: селективное связывание анализируемого вещества, генерация сигнала при взаимодействии наносенсора с биоэлементом и обработка сигнала для получения полезных данных.

Характеристики

Сенсоры на основе наноматериалов обладают рядом преимуществ в чувствительности и специфичности по сравнению с сенсорами, изготовленными из традиционных материалов, благодаря особенностям наноматериалов, отсутствующим в массивных материалах и проявляющимся в наномасштабе. Наносенсоры могут обладать повышенной специфичностью, поскольку они функционируют в масштабе, сопоставимом с естественными биологическими процессами, что позволяет проводить их функционализацию химическими и биологическими молекулами, при этом события распознавания вызывают обнаружимые физические изменения. Повышение чувствительности обусловлено высоким отношением площади поверхности к объему наноматериалов, а также новыми физическими свойствами наноматериалов, которые могут служить основой для детектирования, включая нанофотонику. Наносенсоры также потенциально могут быть интегрированы с наноэлектроникой для добавления встроенных возможностей обработки данных. Помимо чувствительности и специфичности, наносенсоры обеспечивают значительные преимущества в стоимости и времени отклика, что делает их пригодными для высокопроизводительных приложений. Наносенсоры обеспечивают мониторинг в реальном времени по сравнению с традиционными методами обнаружения, такими как хроматография и спектроскопия. Эти традиционные методы могут занимать от нескольких дней до нескольких недель для получения результатов и часто требуют инвестиций в капитальные затраты, а также времени на подготовку образцов. Одномерные наноматериалы, такие как нанопроволоки и нанотрубки, хорошо подходят для использования в наносенсорах по сравнению с массивными или пленочными плоскими устройствами. Они могут функционировать как преобразователи и проводники для передачи сигнала. Их большая площадь поверхности может вызывать значительные изменения сигнала при связывании аналита. Их малый размер позволяет широко использовать мультиплексирование индивидуально адресуемых сенсорных элементов в компактном устройстве. Их работа также является "безметочной", то есть не требует использования флуоресцентных или радиоактивных меток на аналитах. Существует ряд проблем, связанных с наносенсорами, включая предотвращение дрейфа и обрастания, разработку воспроизводимых методов калибровки, применение методов предварительной концентрации и разделения для достижения оптимальной концентрации аналита, избегая насыщения, а также интеграцию наносенсора с другими элементами сенсорного узла надежным и воспроизводимым способом. Тип преобразования сигнала определяет основную систему классификации наносенсоров. Некоторые из основных типов считывания данных с наносенсоров включают оптические, механические, вибрационные или электромагнитные. В качестве примера классификации, наносенсоры, использующие молекулярно-отпечатанные полимеры (МОП), можно разделить на три категории: электрохимические, пьезоэлектрические или спектроскопические сенсоры. Электрохимические сенсоры вызывают изменение электрохимических свойств чувствительного материала, включая заряд, проводимость и электрический потенциал. Пьезоэлектрические сенсоры преобразуют механическую силу в электрическую и наоборот. Эта сила затем преобразуется в сигнал. Спектроскопические сенсоры на основе МОП можно разделить на три подкатегории: химиолюминесцентные сенсоры, сенсоры на основе поверхностного плазмонного резонанса и флуоресцентные сенсоры. Как следует из названия, эти сенсоры генерируют световые сигналы в форме химиолюминесценции, резонанса и флуоресценции. Как показано на примерах, тип изменения, которое обнаруживает сенсор, и тип генерируемого им сигнала зависят от типа сенсора. В одном случае при взаимодействии аналита с рецептором нанопористый преобразователь демонстрировал изменение импеданса, которое определялось как сигнал сенсора. Другие примеры включают электромагнитные или плазмонные наносенсоры, спектроскопические наносенсоры, такие как спектроскопия Рамана с поверхностным усилением, магнитоэлектронные или спинтронные наносенсоры и механические наносенсоры. Измерение может быть достигнуто с помощью следующих методов: связывание активных наночастиц с активными белками внутри клетки, использование направленного мутагенеза для создания индикаторных белков, обеспечивающих измерения в реальном времени, или создание наноматериала (например, нановолокон) с участками присоединения для биорецепторов. Другой тип наносенсора работает на колориметрической основе. В этом случае присутствие аналита вызывает химическую реакцию или морфологическое изменение, приводящее к видимому изменению цвета. Например, золотые наночастицы могут использоваться для обнаружения тяжелых металлов. Многие вредные газы также могут быть обнаружены с помощью колориметрического изменения, например, с помощью коммерчески доступных трубок Драгера. Они представляют собой альтернативу громоздким лабораторным системам, поскольку их можно миниатюризировать для использования в портативных устройствах. Например, многие химические вещества регулируются Агентством по охране окружающей среды и требуют обширного тестирования для обеспечения соответствия уровней загрязняющих веществ установленным пределам. Колориметрические наносенсоры обеспечивают метод определения многих загрязняющих веществ на месте.

Nanomaterials based sensors have several benefits in sensitivity and specificity over sensors made from traditional materials, due to nanomaterial features not present in bulk material that arise at the nanoscale. Nanosensors can have increased specificity because they operate at a similar scale as natural biological processes, allowing functionalization with chemical and biological molecules, with recognition events that cause detectable physical changes. Enhancements in sensitivity stem from the high surface to volume ratio of nanomaterials, as well as novel physical properties of nanomaterials that can be used as the basis for detection, including nanophotonics. Nanosensors can also potentially be integrated with nanoelectronics to add native processing capability to the nanosensor. In addition to their sensitivity and specificity, nanosensors offer significant advantages in cost and response times, making them suitable for high throughput applications. Nanosensors provide real time monitoring compared to traditional detection methods such as chromatography and spectroscopy. These traditional methods may take days to weeks to obtain results and often require investment in capital costs as well as time for sample preparation. One dimensional nanomaterials such as nanowires and nanotubes are well suited for use in nanosensors, as compared to bulk or thin film planar devices. They can function both as transducers and wires to transmit the signal. Their high surface area can cause large signal changes upon binding of an analyte. Their small size can enable extensive multiplexing of individually addressable sensor units in a small device. Their operation is also "label free" in the sense of not requiring fluorescent or radioactive labels on the analytes. There are several challenges for nanosensors, including avoiding drift and fouling, developing reproducible calibration methods, applying preconcentration and separation methods to attain a proper analyte concentration that avoids saturation, and integrating the nanosensor with other elements of a sensor package in a reliable manufacturable manner. The type of signal transduction defines the major classification system for nanosensors. Some of the main types of nanosensor readouts include optical, mechanical, vibrational, or electromagnetic. As an example of classification, nanosensors that use molecularly imprinted polymers (MIP) can be divided into three categories, which are electrochemical, piezoelectric, or spectroscopic sensors. Electrochemical sensors induce a change in the electrochemical properties of the sensing material, which includes charge, conductivity, and electric potential. Piezoelectric sensors either convert mechanical force into electric force or vice versa. This force is then transduced into a signal. MIP spectroscopic sensors can be divided into three subcategories, which are chemiluminescent sensors, surface plasmon resonance sensors, and fluorescence sensors. As the name suggests, these sensors produce light based signals in forms of chemiluminescence, resonance, and fluorescence. As described by the examples, the type of change that the sensor detects and type of signal it induces depend on the type of sensor In one case, upon interaction of the analyte with the receptor, the nanoporous transducer had a change in impedance which was determined as the sensor signal. Other examples include electromagnetic or plasmonic nanosensors, spectroscopic nanosensors such as surface enhanced Raman spectroscopy, magnetoelectronic or spintronic nanosensors, and mechanical nanosensors. The measurement can be achieved by using the following methods: binding active nanoparticles to active proteins within the cell, using site directed mutagenesis to produce indicator proteins, allowing for real time measurements, or by creating a nanomaterial (e. g. nanofibers) with attachment sites for the bio receptors. Another type of nanosensor is one that works through a colorimetric basis. Here, the presence of the analyte causes a chemical reaction or morphological alteration for a visible color change to occur. One such application, is that gold nanoparticles can be used for the detection of heavy metals. Many harmful gases can also be detected by a colorimetric change, such as through the commercially available Dräger Tube. These provide an alternative to bulky, lab scale systems, as these can be miniaturized to be used for point of sample devices. For example, many chemicals are regulated by the Environmental Protection Agency and require extensive testing to ensure contaminant levels are within the appropriate limits. Colorimetric nanosensors provide a method for on site determination of many contaminants.

Методы производства

Метод производства играет центральную роль в определении характеристик изготовленного наносенсора, так как функциональность наносенсора достигается путем контроля поверхности наночастиц. Существует два основных подхода к производству наносенсоров: методы "сверху вниз", которые начинаются с формирования структуры в большем масштабе, а затем уменьшаются до микромасштаба, и методы "снизу вверх", которые начинаются с атомов или молекул, из которых формируются наноструктуры.

Литография

Этот метод предполагает начало работы с большим блоком материала и высечение необходимой формы. Эти высеченные устройства, особенно применяемые в специализированных микроэлектромеханических системах, используемых как микросенсоры, как правило, достигают лишь микромасштаба, однако в новейших разработках стали появляться компоненты наноразмера.

Вытяжка волокон

Этот метод заключается в использовании устройства для создания натяжения, чтобы растянуть главную ось волокна при нагревании и добиться нанометровых размеров. Этот метод особенно часто используется в оптических волокнах для разработки наносенсоров на основе оптических волокон.

Приложения

Один из первых рабочих примеров синтетического наносенсора был создан исследователями Технологического института Джорджии в 1999 году. Он заключался в прикреплении одной частицы к концу углеродной нанотрубки и измерении частоты её колебаний как с частицей, так и без неё. Различие между этими частотами позволило исследователям определить массу прикрепленной частицы.

Оборона и военные

Нанонаука в целом имеет множество потенциальных применений в оборонном и военном секторе, включая обнаружение химических веществ, дезактивацию и криминалистику. Среди наносенсоров, разрабатываемых для оборонных целей, – наносенсоры для обнаружения взрывчатых веществ или токсичных газов. Такие наносенсоры работают на принципе различия молекул газа по массе, используя, например, пьезоэлектрические датчики. При адсорбции молекулы газа на поверхности детектора изменяется резонансная частота кристалла, что регистрируется как изменение электрических свойств. Кроме того, полевые транзисторы, используемые в качестве потенциометров, способны обнаруживать токсичные газы, если их затвор чувствителен к ним. Подобные наносенсоры могут также применяться в военной и полицейской одежде и снаряжении. Институт нанонауки военно-морской лаборатории изучает квантовые точки для применения в нанофотонике и идентификации биологических материалов. Наночастицы, покрытые полимерами и другими рецепторными молекулами, меняют цвет при контакте с аналитами, такими как токсичные газы. Наконец, в настоящее время отсутствуют четко определенные и понятные правила тестирования наносенсоров и их применения в сенсорной индустрии, что затрудняет их внедрение.

Пища и окружающая среда

Наносенсоры могут улучшить различные подсектора в пищевой и экологической отраслях, включая переработку пищевых продуктов, сельское хозяйство, мониторинг качества воздуха и воды, упаковку и транспортировку. Благодаря своей чувствительности, а также настраиваемости и, как следствие, селективности связывания, наносенсоры очень эффективны и могут быть разработаны для широкого спектра применений в области охраны окружающей среды. Такие применения наносенсоров обеспечивают удобную, быструю и сверхчувствительную оценку многих видов загрязнителей окружающей среды. Химические сенсоры полезны для анализа запахов образцов пищевых продуктов и обнаружения атмосферных газов. "Электронный нос" был разработан в 1988 году для определения качества и свежести пищевых образцов с использованием традиционных сенсоров, но в последнее время сенсорная пленка была улучшена за счет использования наноматериалов. Образец помещают в камеру, где летучие соединения концентрируются в газовой фазе, после чего газ прокачивается через камеру, чтобы доставить аромат к сенсору, который измеряет его уникальный "отпечаток". Высокое отношение площади поверхности к объему наноматериалов обеспечивает более интенсивное взаимодействие с аналитами, а быстрое время отклика наносенсора позволяет разделять мешающие сигналы. Химические сенсоры также создаются на основе нанотрубок для обнаружения различных свойств газообразных молекул. Многие сенсоры на основе углеродных нанотрубок разработаны как полевые транзисторы, используя их высокую чувствительность. Электрическая проводимость этих нанотрубок изменяется из-за переноса заряда и химического допирования другими молекулами, что позволяет их обнаруживать. Для повышения селективности многие из них включают систему, при которой наносенсоры создаются с определенным "карманом" для другой молекулы. Углеродные нанотрубки использовались для определения ионизации газообразных молекул, а нанотрубки из титана – для определения атмосферной концентрации водорода на молекулярном уровне. Некоторые из них разработаны как полевые транзисторы, а другие используют возможности оптического зондирования. Селективное связывание аналита обнаруживается посредством сдвига спектра или модуляции флуоресценции. Подобным образом, Flood и др. показали, что супрамолекулярная химия "хозяин-гость" обеспечивает количественное зондирование с использованием рамановского рассеяния света, а также SERS. В настоящее время разрабатываются другие типы наносенсоров, включая квантовые точки и наночастицы золота, для обнаружения загрязнителей и токсинов в окружающей среде. Они используют локализованный поверхностный плазмонный резонанс (ЛППР), возникающий в наномасштабе, что приводит к поглощению, специфичному для определенной длины волны. Этот спектр ЛППР особенно чувствителен, и его зависимость от размера наночастиц и окружающей среды может быть использована различными способами для создания оптических сенсоров. Чтобы использовать сдвиг спектра ЛППР, возникающий при связывании молекул с наночастицами, их поверхности могут быть функционализированы для определения того, какие молекулы будут связываться и вызывать реакцию. Для применения в области охраны окружающей среды поверхности квантовых точек могут быть модифицированы антителами, которые специфически связываются с микроорганизмами или другими загрязнителями. Затем спектроскопия может быть использована для наблюдения и количественной оценки этого сдвига спектра, что обеспечивает точное обнаружение, возможно, вплоть до отдельных молекул. Другая потенциальная реализация использует зависимость спектра ЛППР от размера для достижения ионного зондирования. В одном исследовании Liu и др. функционализировали наночастицы золота ферментом, чувствительным к Pb2+, для создания сенсора свинца. Обычно наночастицы золота агрегируют при сближении, и изменение размера приводит к изменению цвета. Взаимодействие между ферментом и ионами Pb2+ ингибирует эту агрегацию, и, таким образом, можно обнаружить присутствие ионов. Основная проблема, связанная с использованием наносенсоров в пищевой промышленности и охране окружающей среды, заключается в определении их токсичности и общего воздействия на окружающую среду. В настоящее время недостаточно данных о том, как внедрение наносенсоров повлияет на почву, растения и людей в долгосрочной перспективе. Решить эту проблему полностью сложно, поскольку токсичность наночастиц сильно зависит от типа, размера и дозы частицы, а также от факторов окружающей среды, включая pH, температуру и влажность. Для снижения потенциального риска ведутся исследования по производству безопасных, нетоксичных наноматериалов в рамках общих усилий по развитию "зеленых" нанотехнологий.

Nanosensors can improve various sub areas within food and environment sectors including food processing, agriculture, air and water quality monitoring, and packaging and transport. Due to their sensitivity, as well as their tunability and resulting binding selectivity, nanosensors are very effective and can be designed for a wide variety of environmental applications. Such applications of nanosensors help in a convenient, rapid, and ultrasensitive assessment of many types of environmental pollutants. Chemical sensors are useful for analyzing odors from food samples and detecting atmospheric gases. The "electronic nose" was developed in 1988 to determine the quality and freshness of food samples using traditional sensors, but more recently the sensing film has been improved with nanomaterials. A sample is placed in a chamber where volatile compounds become concentrated in the gas phase, whereby the gas is then pumped through the chamber to carry the aroma to the sensor that measures its unique fingerprint. The high surface area to volume ratio of the nanomaterials allows for greater interaction with analytes and the nanosensor's fast response time enables the separation of interfering responses. Chemical sensors, too, have been built using nanotubes to detect various properties of gaseous molecules. Many carbon nanotube based sensors are designed as field effect transistors, taking advantage of their sensitivity. The electrical conductivity of these nanotubes will change due to charge transfer and chemical doping by other molecules, enabling their detection. To enhance their selectivity, many of these involve a system by which nanosensors are built to have a specific pocket for another molecule. Carbon nanotubes have been used to sense ionization of gaseous molecules while nanotubes made out of titanium have been employed to detect atmospheric concentrations of hydrogen at the molecular level. Some of these have been designed as field effect transistors, while others take advantage of optical sensing capabilities. Selective analyte binding is detected through spectral shift or fluorescence modulation. In a similar fashion, Flood et al. have shown that supramolecular host–guest chemistry offers quantitative sensing using Raman scattered light as well as SERS. Other types of nanosensors, including quantum dots and gold nanoparticles, are currently being developed to detect pollutants and toxins in the environment. These take advantage of the localized surface plasmon resonance (LSPR) that arises at the nanoscale, which results in wavelength specific absorption. This LSPR spectrum is particularly sensitive, and its dependence on nanoparticle size and environment can be used in various ways to design optical sensors. To take advantage of the LSPR spectrum shift that occurs when molecules bind to the nanoparticle, their surfaces can be functionalized to dictate which molecules will bind and trigger a response. For environmental applications, quantum dot surfaces can be modified with antibodies that bind specifically to microorganisms or other pollutants. Spectroscopy can then be used to observe and quantify this spectrum shift, enabling precise detection, potentially on the order of molecules. Another potential implementation takes advantage of the size dependence of the LSPR spectrum to achieve ion sensing. In one study, Liu et al. functionalized gold nanoparticles with a Pb2+ sensitive enzyme to produce a lead sensor. Generally, the gold nanoparticles would aggregate as they approached each other, and the change in size would result in a color change. Interactions between the enzyme and Pb2+ ions would inhibit this aggregation, and thus the presence of ions could be detected. The main challenge associated with using nanosensors in food and the environment is determining their associated toxicity and overall effect on the environment. Currently, there is insufficient knowledge on how the implementation of nanosensors will affect the soil, plants, and humans in the long term. This is difficult to fully address because nanoparticle toxicity depends heavily on the type, size, and dosage of the particle as well as environmental variables including pH, temperature, and humidity. To mitigate potential risk, research is being done to manufacture safe, nontoxic nanomaterials, as part of an overall effort towards green nanotechnology.

Здравоохранение

Наносенсоры обладают большим потенциалом для диагностической медицины, обеспечивая раннее выявление заболеваний без необходимости полагаться на проявляющиеся симптомы. Идеальные реализации наносенсоров стремятся имитировать реакцию иммунных клеток в организме, объединяя диагностические и иммунные функции, одновременно передавая данные для мониторинга входных сигналов и реакции сенсора. Однако эта модель остается долгосрочной целью, и текущие исследования сосредоточены на непосредственных диагностических возможностях наносенсоров. Внутриклеточная реализация наносенсоров, синтезированных из биоразлагаемых полимеров, генерирует сигналы, позволяющие осуществлять мониторинг в реальном времени, тем самым открывая путь к прогрессу в адресной доставке лекарств и терапии. Одним из примеров таких наносенсоров является использование флуоресцентных свойств квантовых точек селенида кадмия для обнаружения опухолей в организме. Однако селенид кадмия обладает значительной токсичностью. В связи с этим исследователи работают над созданием альтернативных точек на основе менее токсичных материалов, сохраняя при этом флуоресцентные свойства. В частности, изучаются преимущества квантовых точек сульфида цинка, которые, хотя и менее флуоресцентны, чем селенид кадмия, могут быть усилены добавлением других металлов, включая марганец и различные лантаноиды. Кроме того, эти новые квантовые точки становятся более флуоресцентными при связывании с целевыми клетками. Наносенсоры также могут использоваться для обнаружения контаминации в органных имплантатах. Наносенсор встраивается в имплантат и обнаруживает контаминацию окружающих клеток посредством электрического сигнала, передаваемого врачу или медицинскому работнику. Наносенсор способен определить, здоровы ли клетки, находятся ли они в состоянии воспаления или заражены бактериями. Основным недостатком является долгосрочное использование имплантата, когда на сенсорах разрастается ткань, ограничивая их способность к деформации. Это препятствует генерации электрических зарядов, сокращая срок службы наносенсоров, использующих пьезоэлектрический эффект для самопитания. Подобно сенсорам для измерения загрязнения воздуха, наносенсоры на основе золотых частиц используются для ранней диагностики различных типов рака путем обнаружения летучих органических соединений (ЛОС) в выдыхаемом воздухе, поскольку рост опухоли связан с пероксидацией клеточной мембраны. Другое применение, связанное с раком, пока находится на стадии доклинических исследований на мышах, – использование наночастиц, покрытых пептидами, в качестве сенсоров, основанных на активности, для обнаружения рака легких. Два основных преимущества использования наночастиц для диагностики заболеваний заключаются в возможности раннего выявления, поскольку они способны обнаруживать опухоли размером в миллиметры, а также в обеспечении экономически эффективного, простого в использовании, портативного и неинвазивного диагностического инструмента. Недавние достижения в области наносенсорных технологий используют молекулярный импринтинг – метод синтеза полимерных матриц, функционирующих как рецепторы в молекулярном распознавании. Аналогично модели «ключ-замок» фермента и субстрата, молекулярный импринтинг использует молекулы-шаблоны с функциональными мономерами для формирования полимерных матриц с определенной формой, соответствующей целевым молекулам-шаблонам, тем самым повышая селективность и аффинность матриц. Эта технология позволяет наносенсорам обнаруживать химические соединения. В биотехнологии молекулярно-отпечатанные полимеры (МОП) являются синтезированными рецепторами, представляющими собой перспективную и экономически эффективную альтернативу природным антителам, поскольку они разработаны с высокой селективностью и аффинностью. Например, эксперимент с MI-сенсором, содержащим нанотрубки с непроводящим полифенольным нанопокрытием (PPn-покрытие), продемонстрировал селективное обнаружение белка E7, что подтверждает потенциал этих наносенсоров для обнаружения и диагностики вируса папилломы человека, других человеческих патогенов и токсинов. Как показано выше, наносенсоры с использованием технологии молекулярного импринтинга способны селективно обнаруживать сверхчувствительные химические соединения, поскольку искусственное модифицирование полимерных матриц повышает аффинность и селективность. Для развития интеллектуальной медицины с использованием наносенсоров необходимо создание сети наносенсоров, часто называемой наносетью, для преодоления ограничений по размеру и энергопотреблению отдельных наносенсоров. Наносети не только смягчают существующие проблемы, но и обеспечивают многочисленные улучшения. Возможность клеточного разрешения наносенсоров позволит проводить лечение с минимизацией побочных эффектов, обеспечивать непрерывный мониторинг и отчетность о состоянии пациентов. Наносети требуют дальнейшего изучения, поскольку наносенсоры отличаются от традиционных сенсоров. Наиболее распространенным механизмом сенсорных сетей является электромагнитная связь. Однако существующая парадигма неприменима к наноустройствам из-за их ограниченного радиуса действия и энергопотребления. Оптическая передача сигнала была предложена в качестве альтернативы классической электромагнитной телеметрии и имеет применение в мониторинге внутри человеческого тела. Другие предлагаемые механизмы включают биоинспирированную молекулярную связь, проводную и беспроводную активную транспортировку в молекулярной связи, перенос энергии Ферстера и другие. Крайне важно создать эффективную наносеть, чтобы ее можно было применять в таких областях, как медицинские имплантаты, сети носимых устройств (BAN), интернет нано-вещей (IoNT), доставка лекарств и многое другое. С помощью хорошо разработанной наносети биоимплантируемые наноустройства могут обеспечить более высокую точность, разрешение и безопасность по сравнению с макромасштабными имплантатами. Сети носимых устройств (BAN) позволяют сенсорам и актуаторам собирать физические и физиологические данные с человеческого тела для лучшего прогнозирования заболеваний, что облегчит лечение. Потенциальные области применения BAN включают мониторинг сердечно-сосудистых заболеваний, управление инсулином, искусственное зрение и слух, а также управление гормональной терапией. Интернет био-нано-вещей относится к сетям наноустройств, к которым можно получить доступ через интернет. Разработка IoBNT открыла путь к новым методам лечения и диагностики. Наносети также могут помочь в доставке лекарств, увеличивая локализацию и время циркуляции лекарств. Кроме того, высокая стоимость сырья, такого как кремний, нанопровода и углеродные нанотрубки, может препятствовать коммерциализации и производству наносенсоров, требующих масштабирования для внедрения. Чтобы смягчить проблему стоимости, исследователи изучают возможность производства наносенсоров из более экономичных материалов. Также требуется высокая точность для воспроизводимого производства наносенсоров из-за их малого размера и чувствительности к различным методам синтеза, что создает дополнительные технические проблемы, которые необходимо преодолеть.

Nanosensors possess great potential for diagnostic medicine, enabling early identification of disease without reliance on observable symptoms. Ideal nanosensor implementations look to emulate the response of immune cells in the body, incorporating both diagnostic and immune response functionalities, while transmitting data to allow for monitoring of the sensor input and response. However, this model remains a long term goal, and research is currently focused on the immediate diagnostic capabilities of nanosensors. The intracellular implementation of nanosensor synthesized with biodegradable polymers induces signals that enable real time monitoring and thus paves way for advancement in drug delivery and treatment. One example of these nanosensors involves using the fluorescence properties of cadmium selenide quantum dots as sensors to uncover tumors within the body. A downside to the cadmium selenide dots, however, is that they are highly toxic to the body. As a result, researchers are working on developing alternate dots made out of a different, less toxic material while still retaining some of the fluorescence properties. In particular, they have been investigating the particular benefits of zinc sulfide quantum dots which, though they are not quite as fluorescent as cadmium selenide, can be augmented with other metals including manganese and various lanthanide elements. In addition, these newer quantum dots become more fluorescent when they bond to their target cells. Nanosensors can also be used to detect contamination in organ implants. The nanosensor is embedded into the implant and detects contamination in the cells surrounding the implant through an electric signal sent to a clinician or healthcare provider. The nanosensor can detect whether the cells are healthy, inflammatory, or contaminated with bacteria. However, a main drawback is found within the long term use of the implant, where tissue grows on top of the sensors, limiting their ability to compress. This impedes the production of electrical charges, thus shortening the lifetime of these nanosensors, as they use the piezoelectric effect to self power. Similarly to those used to measure atmospheric pollutants, gold particle based nanosensors are used to give an early diagnosis to several types of cancer by detecting volatile organic compounds (VOCs) in breath, as tumor growth is associated with peroxidation of the cell membrane. Another cancer related application, though still in mice probing stage, is the use of peptide coated nanoparticles as activity based sensors to detect lung cancer. The two main advantages of the use of nanoparticles to detect diseases is that it allows early stage detection, as it can detect tumors the size in the order of millimeters. It also provides a cost effective, easy to use, portable, and non invasive diagnostic tool. A recent effort towards advancement in nanosensor technology has employed molecular imprinting, which is a technique used to synthesize polymer matrices that act as a receptor in molecular recognition. Analogous to the enzyme substrate lock and key model, molecular imprinting uses template molecules with functional monomers to form polymer matrices with specific shape corresponding to its target template molecules, thus increasing the selectivity and affinity of the matrices. This technique has enabled nanosensors to detect chemical species. In the field of biotechnology, molecularly imprinted polymers (MIP) are synthesized receptors that have shown promising, cost effective alternatives to natural antibodies in that they are engineered to have high selectivity and affinity. For example, an experiment with MI sensor containing nanotips with non conductive polyphenol nano coating (PPn coating) showed selective detection of E7 protein and thus demonstrated potential use of these nanosensors in detection and diagnosis of human papillomavirus, other human pathogens, and toxins. As shown above, nanosensors with molecular imprinting technique are capable of selectively detecting ultrasensitive chemical species in that by artificially modifying the polymer matrices, molecular imprinting increases the affinity and selectivity. In order to develop smart health care with nanosensors, a network of nanosensors, often called nanonetwork, need to be established to overcome the size and power limitations of individual nanosensors. Nanonetworks not only mitigates the existing challenges but also provides numerous improvements. Cell level resolution of nanosensors will enable treatments to eliminate side effects, enable continuous monitoring and reporting of patients’ conditions. Nanonetworks require further study in that nanosensors are different from traditional sensors. The most common mechanism of sensor networks are through electromagnetic communications. However, the current paradigm is not applicable to nanodevices due to their low range and power. Optical signal transduction has been suggested as an alternative to the classical electromagnetic telemetry and has monitoring applications in human bodies. Other suggested mechanisms include bioinspired molecular communications, wired and wireless active transport in molecular communications, Forster energy transfer, and more. It is crucial to build an efficient nanonetwork so that it can be applied in fields such as medical implants, body area networks (BAN), internet of nano things (IoNT), drug delivery and more. With an adept nanonetwork, bio implantable nanodevices can provide higher accuracy, resolution, and safety compared to macroscale implants. Body area networks (BAN) enable sensors and actuators to collect physical and physiological data from the human body to better anticipate any diseases, which will thus facilitate the treatment. Potential applications of BAN include cardiovascular disease monitoring, insulin management, artificial vision and hearing, and hormonal therapy management. The Internet of Bio Nano Things refers to networks of nanodevices that can be accessed by the internet. Development of IoBNT has paved the way to new treatments and diagnostic techniques. Nanonetworks may also help drug delivery by increasing localization and circulation time of drugs. Additionally, there can be a high cost of raw materials such as silicon, nanowires, and carbon nanotubes, which prevent commercialization and manufacturing of nanosensors requiring scale up for implementation. To mitigate the drawback of cost, researchers are looking into manufacturing nanosensors made of more cost effective materials. There is also a high degree of precision needed to reproducibly manufacture nanosensors, due to their small size and sensitivity to different synthesis techniques, which creates additional technical challenges to be overcome.